CC BY
0ENGINEERING SCIENCES
П1ДВИЩЕННЯ ДОВГОВ1ЧНОСТ1 СФЕРИЧНИХ ШАРН1Р1В ЗМ1ЦНЕННЯМ КУЛЬОВИХ ПАЛЬЦ1В СТАТИКО-1МПУЛЬСНОЮ ОБРОБКОЮ
к.т.н., доц. Косюк М. М., астрант Костюк С. А.
Украта, Хмельницький нацгональний утверситет
DOI: https://doi.org/10.31435/rsglobal_ws/31052019/6507
ARTICLE INFO ABSTRACT
The possibility of improving the durability of spherical sliding hinges due to the strengthening of the incomplete spherical surface of ball fingers by static-pulse processing is considered. The review of recent researches and publications was carried out and promising directions for increasing the durability of ball joints were established. The influence of the shock system parameters on the shape and amplitude of the impact pulse is analyzed. The recommended range of correlations of the geometric parameters of the elements of the shock system is established. On the basis of theoretical and experimental studies, a model of shock system with static load of the boom and tool, as well as a bipolar shock treatment scheme is proposed. The method of calculating the parameters of the shock system and the mathematical dependences have been developed. The model of the mechanical impulse generator of shock impact machine with static load of the boom and the tool according to the bipolar impact processing scheme is proposed. The method and algorithm of calculation of parameters of the generator of mechanical impulses of the device for strengthening of incomplete spherical surfaces is developed.
Citation: Коаюк М. М., Костюк С. А. (2019) Pidvyshchennia Dovhovichnosti Sferychnykh Sharniriv Zmitsnenniam Kulovykh Paltsiv Statyko-Impulsnoiu Obrobkoiu. World Science. 5(45), Vol.1. doi: 10.31435/rsglobal_ws/31052019/6507
Copyright: © 2019 KoeiroK M. M., Koctmk C. A. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Вступ. Одшею iз прикладних проблем машинознавства е розробка заходiв з шдвищення працездатносп, надшносп i довговiчностi механiзмiв i машин. В сучаснш техшщ бшьше 60% деталей машин вщносяться до вузлiв ковзання, як займають особливе мюце в машинобудуванш Серед них широко застосовуються сферичш шаршри (СШ) ковзання, як використовуються в рiзноманiтних галузях. 1снуе проблема передчасного виходу з ладу СШ, через нерiвномiрне зношування та руйнування поверхневого шару сферично! поверхш кульового пальця шд дiею циклiчних та динамiчних навантажень [1]. Встановлено, що в бшьшосп випадюв довговiчнiсть СШ визначаеться зносостшюстю контактуючих поверхонь пари тертя.
Для шдвищення ресурсу шаршра доцiльно проводити змщнення сферично! поверхнi кульового пальця з одночасним формуванням мастилоутримуючого мшрорельефу [2 - 3].
Найбiльшу ефективнють при цьому показали комбiнованi методи поверхнево-пластичного деформування (ППД), яю дозволяють керувати параметрами змiцненого поверхневого шару.
У зв'язку з цим розробка i удосконалення способiв поверхневого пластичного змщнення неповних сферичних поверхонь (НСП), а також розробка технологи i оснащення для !х реалiзацi!, що забезпечують необхiднi показники якостi та точносп оброблено! поверхнi при високш продуктивностi, е актуальним завданням.
Received: 18 March 2019 Accepted: 20 May 2019 Published: 31 May 2019
KEYWORDS
durability, wear, spherical joint, strengthening, static-pulse processing, mechanical pulse generator, bipolar shock, microrelief retaining lubricant
Аналiз останшх дослщжень i публiкацiй. В наш час процес змщнення поверхнево-пластичним деформуванням широко дослщжуеться як шоземними так i вiтчизняними науковцями [4-10]. В роботах [11, 12] та ш. вiдмiчена висока ефективнiсть змщнення поверхневого шару деталей машин комбшованими методам ППД.
З лiтературних джерел вщомо низку суттевих переваг способу статико^мпульсно! обробки (С1О), який дозволяе вардавати в широких межах мщнютю та зносостiйкiстю поверхневого шару, створювати сприятливi стискаючi залишковi напруження, а також формувати гетерогенну структуру та мастилоутримуючий мшрорельеф [11-13]. Технологiя С1О включае наступнi етапи: попередне статичне i подальше циктчне (iмпульсне) навантаження шструменту. Попередне статичне навантаження створюе сприятливi умови для бiльш повно! передачi енергй ударного iмпульсу необхщно! форми в зону деформацп. Крiм того, пiд дiею статичного навантаження вщбуваеться згладжування меж пластичних вщбитюв.
Аналiз способiв змiцнення НСП методами ППД вказуе на дощльнють застосування С1О та проведення заходiв з тдвищення ефективностi використання енергй удару, а також розроблення устаткування, для формування змщненого поверхневого шару з одночасним нанесенням геометрично визначеного на НСП мастило утримуючого мшрорельефу та шженерно! методики розрахунку режимiв обробки.
Метою роботи е: пiдвищення довговiчностi сферичних шарнiрiв шляхом статико iмпульсного змiцнення поверхневого шару НСП кульового пальця з одночасним утворенням мастило утримуючого мшрорельефу.
Виклад основного матерiалу дослщжень. При СЮ застосовуються машини ударно! до з статичним навантаженням шструмента (рис.1), вектор дй якого збгаетъся з напрямком дй ударного шпульсу, за рахунок чого досягаетъся стабiльнiсть процесу змщнення та зменшення втрат енергй удару.
1 - деталь; 2 - шструмент; 3 - бойок Рис. 1. Схема ударног системи
Враховуючи особливосп СЮ ударш пристро! повиннi забезпечувати передачу енергй удару в зону деформацп з максимальним ККД, що досягаеться рацiональним спiввiдношенням геометричних параметрiв ударно! системи (бойок-шструмент) [14] i мати низьку металоемнiсть. Це дозволить встановлювати ударнi пристро! на металооброблювальнi верстати (токарнi, фрезернi та iншi).
Авторами запропонована технолопя бiполярно! С1О НСП кульових пальщв для реалiзацi! яко! потрiбно було вирiшити низку завдань:
1 Розраховувати параметри ударно! системи для реалiзацi! керованого iмпульсного змщнення НСП;
2 розробити устаткування для реалiзацi! способу бшолярно! С1О НСП;
3 розробити рекомендацн з використання С1О для обробки НСП кульових пальщв.
Перше завдання - розрахунок ударно! системи, виршувалося вщповщно з методикою
викладеною в [15]. Для виршення поставлено! задачi в робой запропоновано нову модель ударно! системи генератора мехашчних iмпульсiв (ГМ1) з статичним навантаженням стутнчатого бойка та шструмента (рис. 2).
1 - деталь; 2 - шструмент; 3 - бойок Рис. 2. Конструктивна схема ударног системи з статичним навантаженням бойка та ¡нструмента
Статичне та динамiчне навантаження бойка ГМ1 забезпечусться за рахунок енерги пружно-деформованого тша (стиснено! пружини), параметри яко! розраховуються так, щоб частина И потенщально! енерги перетворювалась в кiнетичну енерпю бойка Жы , а шша витрачалась на статичне навантаження бойка Р ст2 , i унеможливлювала його вiдскок.
На основi запропоновано! схеми (рис 2) з метою тдвищення продуктивностi процесу обробки та коефщента використання енерги запропоновано схему бшолярного змiцнення, (рис 3). За тако! схеми обробки деталь одночасно сприймае двi зустрiчнi деформацiйнi хвит, енергiя яких з максимальною ефектившстю використовуеться для ППД заготовки i не поглинаеться масивною наковальнею, вщсутшсть яко! знижуе металоемюсть конструкци пристрою.
1 - бойок; 2 - шструмент; 3 - заготовка
Рис. 3. Схема биполярного змщнення
Щц час змщнення поверхневого шару з одночасним формуванням геометрично визначеного мастило утримуючого мiкрорельефу висуваються додатковi вимоги до глибини та дiаметра пластичних вiдбиткiв, величина яких залежить вщ радiуса сфери деформуючого елемента (ДЕ), питомо! енерги ударного навантаження та коефщента перекриття пластичних вiдбиткiв К. Отже виникае необхiднiсть в отримаш залежностi, для визначення енерги одиничного ударного навантаження, при змiнi радiуса сфери ДЕ, за умови забезпечення стало! мiкротвердостi. Враховуючи складнiсть теоретичного описання ударно! хвилi, яка формуеться при переходi через iнструмент в деталь, перевагу надають експериментальним дослщженням [16]. Яю проводились за вщомим методом експериментально-теоретично! рiвноваги i детально описаш в роботi [15].
Друге завдання - розробка конструкцй устаткування для реалiзацi! СЮ, вирiшувалось з урахуванням геометричних параметрiв ударно! системи, яю розраховувались зпдно до методики [15].
Для генерування iмпульсного навантаження запропоновано конструкщю генератора механiчних iмпульсiв бiполярно! дi!. В основi запропонованого генератора (рис.4) використовуеться кулачковий ударний мехашзм здатний здшснювати серiю ударiв за один оберт кулачка та нова модель ударно! системи [18].
I
1
т
1 - кулачок; 2 - шструмент; 3 - бойок; 4 - заготовка.
Рис. 4. Схема генератора мехатчних ¡мпулъав б1полярног дп:
Генератор мютить кулачок 1 з шструментальною головкою, з статично навантаженими шструментами 2 (виконаними з можливютю перемщення у напрямку перпендикулярному до ос обертання кулачка 1) та ударш мехашзми 3 прикршлеш на корпус ГМ1 (не показано).
Взведення пiдпружинених бойюв 3 здiйснюеться кулачком 1, який обертаеться з
частотою Щ та мае з ними кшематичний зв'язок. Щд час робочого ходу бойка маси т
вщбуваеться перетворення потенщально! eHeprii' стиснено! пружини в кшетичну енергiю бойка, який розганясться до передударно! швидкостi V. В момент удару бойка вщбуваеться передача мехашчно! енергп статично навантаженому шструменту 2, якi в подальшому набувають
спшьно! швидкостi V , чим забезпечуеться статико^мпульсне деформацiйне навантаження на
оброблювану поверхню заготовки 4. ГМ1 тако! конструкцп дозволяе забезпечити ефективне використання енергп удару, а також пщвищити продуктивнють процесу обробки.
Вщповщно до запропоновано! конструкцп ведучою ланкою е кулачок, а виконавчим органом (вихдною ланкою) бойок (штовхач) з центральним розташуванням (роликовим
наконечником). Перемщення бойка описуеться залежнiстю: Х2 = ф (ф), де х2 - прямолiнiйне
перемiщення бойка при поворот кулачка на кут ф . Пщ час повороту кулачка (в перюд вщдалення)
бойок в напрямних рухаеться прямолiнiйно, а в перюд наближення розганяеться до передударно! швидкосп за рахунок потенцiально! енергп стиснено! пружини. В перюд ближнього стояння здiйснюеться удар бойка по шструменту з наступним вистоем. Результати детальних дослiджень робочого циклу ГМ1, математична модель роботи, а також комп'ютерне моделювання робочих циклiв генератора проведене з використанням системи для юнематичного та динамiчного аналiзу техшчних систем SOLIDWORKS Motion наведенi в [17].
Розроблено кшематичну схема пристрою для бшолярно! СЮ НСП, яка наведена на рис.5.
1 - корпус; 2 - ротор; 3 - деформуючий елемент; 4 - бойок; 5 - заготовка; 6 - пристосування
для закршлення заготовки
Рис.5. Юнематична схема пристрою б1полярног статикочмпульсног обробки НСП Згщно до кшематично! схеми ротору деформуючо! головки надасться обертовий рух вщносно ос ZZ з частотою П}, об/хв. Кульовий палець обертаеться з частотою П3, об/хв навколо власно! осi вiд iндивiдуального приводу та вщхиляеться у процесi обробки на деякий кут а у площиш деформуючих елементiв (кутова подача).
Сферична поверхня пальця знаходиться у постшному контакт з статично навантаженими iнструментами силою РСт1 . Перюдичне iмпульсне навантаження Жи , генеруеться ударною системою, тобто ударами бойюв по шструментам з перiодичнiстю заданою механiчним генератором iмпульсiв. Схема формування мшрорельефу на НСП при бшолярному змiцненi вiдображена на рис. 6.
Рис. 6. Схема утворення мжрорелъефу на сферичнт поверхт
В залежносп вщ режимiв обробки на сферичнш поверхш заготовки формуеться змiцнений поверхневий шар з геометрично визначеним мшрорельефом тип якого задаеться величиною коефщента перекриття К. Деякi типи мшрорельефу та вiдповiднi зони залягання деформаци вiдображенi на рис. 7.
li - глибина зони первинно! деформаци; Ь - глибина зони вторинно! деформаци; 1з - глибина
зони третинно! деформаци
Рис. 7. Типи мжрорелъефу та зони залягання деформацИ' в поверхневому шар1 детал1 залежно
eid коефщента перекриття К
Розглянуто формування мшрорельефу в залежносп вщ величини коефщента перекриття пластичних вщбитюв. Для визначення висоти мiкронерiвностей та ощнки впливу коефщента перекриття розроблено геометричну модель (рис. 8), де формування мшропрофшю розглядаеться як слщ утворений робочим ходом шструмента.
Рис. 8. Геометрична модель формування мтропрофтю
Зпдно до розрахунково! схеми (рис. 8) висота мшровистушв може бути визначена за формулою:
ь2 = ов-ол = об-^ос2-лс2 = ов-л/ос2-(г / 2)2, (1)
де 1 - крок мiж вщбитками який визначаеться за формулою:
г = (1-К) д, (2)
де 5 - дiаметр пластичного вiдбитка.
Отже формула (1) з врахуванням (2) матиме вигляд:
й, ¡, . ,......„>2 Л,-,!ЧЧ(1-к)д)2
hz = f2jP-((l-k>Ц2>= = d ^d " , О)
де - дiаметр шструмента.
На основi проведених дослiджень та кшематично! схеми (рис. 5) розроблено пристрш для бшолярно! СЮ НСП, ЗБ модель якого представлено на рис. 9.
1 - платформа; 2 - шструментальна головка для статико^мпульсного деформування; 3 -поворотний пристрш для закршлення заготовки з шдивщуальним приводом
Рис. 9. 3Б модель пристрою для б1полярного статикочмпульсного зм1цнення НСП пальця
сферичного шармра
Пристрш встановлюеться на призматичних напрямних станини токарного верстата. 1нструментальна головка мютить ротор, який приводиться в рух вщ шпинделя верстата. На роторi розмiщенi статично навантаженi деформуючi елементи. Ударнi механiзми шструментально! головки мають кiнематичний зв'язок з генератором мехашчних iмпульсiв, виконаним у виглвд кулачкового механiзму, встановленого на ротора Це забезпечуе статико-iмпульсне навантаження на сферичну поверхню кульового пальця, закршленого у поворотному пристро! з шдивщуальним приводом. Причому поворотний стiл кшематично зв'язаний iз супортом верстата.
Запропоноване ршення розширюе технологiчнi можливостi поверхневого пластичного змщнення завдяки використанню бшолярного статико-iмпульсного ППД, що пiдвищуе продуктивнють i точнiсть обробки та дозволяе керувати глибиною змщненого шару, ступенем змщнення i мiкрорельефом сферично! поверхт кульового пальця.
Для виршення третього завдання необхщно здшснити вибiр технологiчних та конструктивно-технолопчних параметрiв процесу обробки, а також пщбрати параметри генератора мехатчних iмпульсiв. Для цього в робот розроблена методика розрахунку i призначення режимiв обробки, заснована на експериментальних дослiдженнях та теоретичних i комп'ютерних моделях. Блок схема алгоритму розрахунку параметрiв процесу змiцнення вщображена на рис. 10.
Рис. 10. Алгоритм розрахунку параметрге процесу змщнення деталей з НСП
Алгоритм працюе наступним чином:
1 вводяться вихщш дат для розрахунку:
- необхщш параметри змщненого поверхневого шару (ну, а(ну))
- коефiцiент перекриття К;
- параметри оброблювано! деталi (dc), марка сталi та характеристики оброблюваного
матерiалу (ну0, кт, е, ^);
- конструктивно-технолопчт параметри ударно! системи (Я15 Бот, Ц, Ь2, d2, Р\,
р2, а1, а2, ъ, к).
1.1 визначення по експериментальним залежностям значення енерги одиничного удару Ж i дiаметр пластичного вiдбитка 8;
1.2 перевiрка умови коефiцiента перекриття 0< К<1 та визначення кроку вiдбиткiв ^ а також типу мiкрорельефу;
2 Визначення основних параметрiв режимiв обробки:
2.1 Прийняття частоти обертання шструменту ni Í3 стандартного ряду частот обертання шпинделя верстата;
2.2 Визначення частоти ударiв по шструменту f ;
2.3 Визначення частоти обертання заготовки Щ ;
2.4 Визначення кутово! подачi , на один оберт заготовки.
3 Перевiрка отриманих параметрiв поверхневого шару:
3.1 порiвняння базових значень мшротвердосп iз заданими НУ>ИУз та визначення ступеня змiцнення 8. Якщо умова виконуеться, то перехщ на наступний рiвень, а якщо нi - то необхiдно збшьшити коефiцiент перекриття.
4 вивiд результата:
4.1 вивщ скоригованих значень характеристик змщненого поверхневого шару hv, h(hv) та конструктивних i конструктивно -технолопчних параметрiв С1О та ГМ1.
Для встановлення ефективносп запропонованих рiшень проведено експериментальш дослiдження оцiнки довговiчностi СШ за критерiем зносостiйкостi деталей пари тертя (палець-вкладиш), за вщомою методикою по схемi «сферична поверхня-фаска» [18]. Порiвняння результатiв випробувань показали, що довговiчнiсть шарнiра iз пальцем з стат 40Х змiцненим запропонованим способом, при К=0.7.. .0.9 зросла на 20% у порiвнянi з обкатаним.
Висновки. Розглянуто способи змщнення поверхневого шару деталей машин методами ППД та шляхи тдвищення ефективностi використання енерги удару при статико-iмпульсному змщнеш. Запропоновано нову модель ударно! системи з статичним навантаженням бойка та шструмента, а також схему обробки бшолярним ударом.
Розроблено модель генератора мехашчних iмпульсiв та пристрiй для змщнення НСП. Дослщжено процес формування м^орельефу в залежностi вiд коефщента перекриття, а також розроблено геометричну модель формування шорсткосп. Виведено рiвняння для визначення висоти мiкровиступiв в залежносп вiд параметрiв процесу обробки.
Розроблено методику та алгоритм розрахунку параметрiв ГМ1.
Проведено експериментальнi дослщження оцiнки довговiчностi СШ за критерiем зносостiйкостi деталей пари тертя (палець-вкладиш). Встановлено, що довговiчнiсть шарнiра iз пальцем з сталi 40Х, змщненим при К=0.7.. .0.9 зросла на 20% у порiвнянi з обкатаним.
Таким чином запропоноваш рiшення розширюють технолопчш можливостi поверхневого пластичного змiцнення завдяки використанню бiполярного статико-iмпульсного ППД, що тдвищуе продуктивнiсть i точнiсть обробки та дозволяе керувати глибиною змщненого шару, ступенем змщнення i мшрорельефом сферично! поверхнi кульового пальця.
Подальшi дослiдження будуть спрямованi на виявлення параметрiв С1О, якi найбiльше впливають на якiсть робочо! поверхнi пальця, та встановлення взаемозв'язюв м1ж параметрами обробки i геометричними параметрами мастило утримуючо! лунки.
Л1ТЕРАТУРА
1. Косшк М.М. Щдвищення довгов1чносп рухомих сферичних шартрних з'еднань / М.М. Косшк, С.А. Костюк // Вюник Хмельницького нацiонального утверситету. Техтчт науки. - 2017. - № 2. - С. 47-51.
2. Дыха А. В. Повышение несущей способности подшипника скольжения с маслоудерживающими канавками / А.В. Дыха, О.П. Бабак // Проблеми трибологи. - 1997. - № 1. - С. 25-27.
3. Бабак О.П. Повышение износостойкости трибосопряжений путем формирования маслоудерживающего профиля / О.П. Бабак, А.Г. Кузьменко А.Г., Пасечник А.А. // В1сник Технолопчного ушверситету Подшля. - 2002. - № 4 Ч.1. - С. 7-12.
4. Киричек А.В. Создание гетерогенной структуры материала статико-импульсной обработкой / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев // СТИН. - 2007. - № 12. - С. 28-31.
5. Степанов Г.В. Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении / Г.В. Степанов - Киев: Наукова Думка, 1991. - 288 с.
6. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением / Ю.Г. Шнейдер. - Справочник. СПб.: Политехника, 1998. - 414 с.
7. Зайдес С.А. Современное состояние отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием / С.А. Зайдес // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2016. - Т. 20, № 10. - С. 28-34.
8. Киричек А.В. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. - М.: Машиностроение, 2004. - 288 с.
9. Xiaolei Wu, Muxin Yang, Fuping Yuan, Guilin Wu, Yujie Wei, Xiaoxu Huang, and Yuntian Zhu. Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility. Proc Natl Acad Sci USA. 2015;112:14501-14505.
10. Muxin Yang, Dingshun Yan, Fuping Yuan, Ping Jiang, Evan Ma, and Xiaolei Wu. Dynamically reinforced heterogeneous grain structure prolongs ductility in a medium-entropy alloy with gigapascal yield strength. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Jul 10; 115(28): 7224-7229. doi:10.1073/pnas.1807817115,: PMC 6048477.
11. Бойцов А.Г. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / А.Г. Бойцов, В.Н. Машков, В.А. Смоленцев, Л.А. Хворостухин. - М.: Машиностроение, 1991. - 144 с.
12. Киричек А.В. Перспективы статико-импульсного упрочнения и формообразования шлицев. / А.В. Киричек, А.Г. Лазуткин, Д.Л. Соловьев и др. // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология - 2002: Мат. III междунар. научн.-техн. конф. Орел: 2002. - С. 167-170.
13. Суслов А.Г. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Ю.В. Панфилов и др.; под ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2008 - 320 с.
14. Киричек А.В. закономерности волнового деформационного нагружения очага деформации / А. В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.А. Силантьев // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева 2017. №2 (41). С - 144-147.
15. Костюк С.А. Пвдвищення ефективносп використання енерги удару при статикоИмпульсному змщненш поверхневим пластичним деформуванням / С.А Костюк, М.М. Косшк // Вюник ХНУ. -2018. - № 4. - С.48-56.
16. Алимов О.Д. Распостранение волн деформаций в ударних системах / О.Д. Алимов, В.К. Манжосов, В.Э. Еремьянц, Ю.В. Невенчаный - Фрунзе: ИЛИМ, 1980. - 200 с.
17. Костюк С.А. Мехашчний генератор iмпульсiв машини ударно! дп для статикоИмпульсного змщнення / С.А Костюк, М.М. Косшк // Вюник ХНУ - 2018 - № 5. - С. 302-308.
18. Кузьменко А.Г. Износ и надежность шаровых опор подвески переднего колеса автомобиля (расчеты и испытания)// Проблемы трибологии (Problems of Tribology). - 2009. - № 3. - С. 29-52.
